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Tambor de Schrödinger macroscópico

Área: Física — lunes, 22 de marzo de 2010

Un grupo de científicos tiene éxito a la hora de poner un sistema macroscópico en una superposición de estados.

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El dispositivo empleado consiste en una lámina vibrante. Fuente: O’Connell y colaboradores .

Una de las varias propiedades “mágicas” del mundo microscópico que describe la Mecánica Cuántica es la superposición de estados. De este modo, un electrón convenientemente preparado puede estar en dos estados de spin distintos a la vez. Pero por alguna razón, cuando nos vamos a objetos más grandes, este tipo de estados superpuestos desaparecen. De ahí la broma de Schrödinger sobre la posibilidad de tener un gato vivo y muerto a la vez. Lo mismo se puede decir del amigo de Wigner.
Como obviamente no vemos gatos de Schrödinger en el mundo clásico y cotidiano que nos rodea, se tuvieron que inventar mecanismos que hicieran que las leyes extrañas de la Mecánica Cuántica (MC) no se dieran en el mundo macroscópico. Así por ejemplo se introdujo la decoherencia, que básicamente dice que se mantendrán las leyes de la MC siempre y cuando no se perturbe mucho al sistema cuántico, de otro modo colapsará hasta un estado clásico.
Desde hace un tiempo se viene especulando que, aunque no veamos gatos de Schrödinger, quizás si podamos preparar otros objetos mesoscópicos en extraños estados cuánticos. Así por ejemplo, habría moléculas, proteínas o virus de Schrödinger. Lo que superaría todos los sueños sería un sistema de este estilo que fuera más allá del mundo mesoscópico.
¿Qué tal un estado cuántico superpuesto en el mundo macroscópico, aunque el sistema sea chiquito? Esto es precisamente lo que ha logrado el equipo de Andrew Cleland en la Universidad de California en Santa Barbara, pues han conseguido un “tambor de Schrödinger” que se puede ver a simple vista, aunque sólo mida 30 micras de longitud.
En este caso los estados se refieren a los estados posibles de vibración de una pequeña lámina que hace las veces de tambor cuántico. Hay un estado de vibración que es el de mínima energía posible (el estado fundamental) y sobre él otros estados excitados de mayor energía. Como el sistema está bajo las leyes de la MC dichas energías se dan de manera discreta en cuantos de energía. El sistema es similar a las moléculas, que pueden vibrar, excitarse al recibir energía y devolver esa energía en forma de fotones infrarrojos cuando vuelven al estado fundamental.
En el experimento consiguieron hacer vibrar la lámina de un resonador mecánico en dos estados a la vez: el fundamental y el primer estado excitado. Dicho en lenguaje de la calle, la lámina estaba quieta y vibrando a la vez.
Este resultado muestra que los principios de la MC pueden ser aplicados a los objetos cotidianos además de a las partículas en la escala atómica.
Hasta el momento nadie había visto un sistema cuántico que mostrase superposición de estados con un tamaño tan grande, y en el cual intervienen billones de átomos.
El montaje consistió en una lámina vibrante sujeta por un extremo de unas 30 micras de longitud. Esta “paleta” estaba conectada a un circuito eléctrico superconductor que obedece las leyes de la MC. Este tipo de circuito fue desarrollado para la computación cuántica, pudiéndose usar sus qubits a modo de termómetro.
Todo el sistema estaba enfriado hasta una temperatura de una décima de grado kelvin por encima del cero absoluto. A esa temperatura la paleta se encuentra en el estado fundamental de mínima energía. Entonces usaron el circuito para imprimir a la paleta un empujón con una energía específica, llevando la paleta al primer estado excitado. Por tanto, podían escoger el estado de vibración de la paleta. Quedaba por hacer lo más difícil: su superposición.
Consiguieron poner el circuito en una superposición de estados “empujar” y “no empujar” y lo conectaron a la lámina. Como el circuito y la paleta estaban entrelazados cuánticamente era de esperar que la paleta pasara a una superposición de estados. A través de una serie de experimentos pudieron demostrar que efectivamente la paleta estaba en una superposición de estados, y vibraba y no vibraba simultáneamente.
Algunos físicos están encantados con el resultado, pues demuestra que las leyes de la MC se mantienen a escalas más grandes de lo que se creía hasta ahora.
Si se puede poner en una superposición de estados un objeto con billones de átomos, ¿por qué no un automóvil en una superposición de estados “detenido” y “en movimiento”? Según Cleland el tamaño sí importa, cuanto mayor sea el objeto más fácil que el estado cuántico sea destruido por las fuerzas del exterior. El ambiente es grande y complejo. “Es la interacción con este sistema increíblemente complejo lo que hace que la coherencia cuántica desaparezca”, dice Cleland.
Pese a todo sostiene que hay muchas razones para intentar esto mismo con objetos cada vez más grandes. Por el camino se puede aprender mucho sobre la relación entre MC y gravedad, por ejemplo. Además cree que un resonador cuántico puede ser útil para alguna aplicación práctica. “Debe de haber alguna aplicación interesante, pero, francamente, no tengo una ahora”, dice.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
O’Connell, A. D. et al. Nature doi:10.1038/nature08967 (2010).
Noticia en Nature.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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2 Comentarios

  1. NeoFronteras:

    Aunque los autores dicen (al menos en la nota de prensa) que el dispositivo se ve a simple vista, 30 micras es algo bastante pequeño como para poderse ver a simple vista.

  2. baselga:

    “Debe de haber alguna aplicación interesante, pero, francamente, no tengo una ahora”

    Una frase de dos estados superpuestos muy adecuada para cerrar este artículo :-)

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